FR2981126A1

FR2981126A1 - Tuyere asymetrique de turbomachine

Info

Publication number: FR2981126A1
Application number: FR1159033A
Authority: FR
Inventors: Stephane Emmanuel Daniel Bensilum
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2011-10-06
Filing date: 2011-10-06
Publication date: 2013-04-12
Anticipated expiration: 2031-10-06
Also published as: FR2981126B1

Abstract

L'invention concerne une tuyère (2) de turbomachine (1) dans laquelle l'air circule en fonctionnement normal de l'amont vers aval, dont la partie aval comprend un capot (1000) et un noyau (500) dont la partie amont (510) est entourée par ledit capot (1000) et dont la partie aval (530) prolonge cette partie amont (510) en aval dudit capot (1000), le noyau (500) étant sensiblement symétrique par rapport à un axe longitudinal A, les gaz étant expulsés vers l'aval hors de la tuyère (2) lors du fonctionnement de la turbomachine (1) par un espace annulaire (1500) situé radialement entre ledit capot (1000) et ledit noyau (500). La partie aval de la tuyère (2) est sensiblement asymétrique par rapport à l'axe longitudinal A de telle sorte que la résultante de la poussée générée par les gaz expulsés de cet espace annulaire (1500) lors du fonctionnement de cette turbomachine (1) fait un angle non-nul avec l'axe longitudinal A.

Description

La présente invention concerne le domaine des turbomachines, notamment des turbomachines aéronautiques telles que des moteurs d'avion. L'invention concerne plus particulièrement une tuyère de turbomachine dans laquelle l'air circule en fonctionnement normal de l'amont vers aval, dont la partie aval comprend un capot et un noyau dont la partie amont est entourée par le capot et dont la partie aval prolonge cette partie amont en aval du capot, le noyau étant sensiblement symétrique par rapport à un axe longitudinal A, les gaz étant expulsés vers l'aval hors de la tuyère lors du fonctionnement de la turbomachine par un espace annulaire situé radialement entre ledit capot et le noyau. Dans la description qui suit, les termes "amont" et "aval" sont définis par rapport au sens de circulation normal de l'air dans la tuyère. La figure 1 montre, de façon schématique, une turbomachine aéronautique (moteur d'avion) 1 en coupe longitudinale. En fonctionnement normal, l'air et les gaz circulent de l'amont vers l'aval, c'est-à-dire de la gauche vers la droite sur la figure 1. La turbomachine comporte une tuyère 2 dont la partie aval comporte un capot 1000, et un noyau 500 (ce noyau peut également être appelé "plug"). Le noyau 500 est conique, s'évasant de l'aval vers l'amont. Le noyau 500 comporte une partie amont 510 entourée par le capot 1000, et une partie aval 530 qui prolonge cette partie amont 510 en aval dudit capot 1000. La partie aval 530 n'est donc pas entourée par le capot 1000.

Les gaz sont expulsés de la tuyère 2 par l'espace annulaire qui est situé radialement entre le capot 1000 et la partie amont 510 du noyau 500. Le noyau 500 est sensiblement symétrique par rapport à un axe longitudinal A. Ainsi, l'intersection du noyau 500 avec un plan quelconque perpendiculaire à l'axe longitudinal A et passant par ce noyau 500 est une courbe C qui est symétrique par rapport à cet axe. Ceci signifie que le milieu de tout segment coupant l'axe longitudinal A et reliant deux points de cette courbe C est sur l'axe longitudinal A. Dans le cas présent, cet axe A est aussi sensiblement l'axe de la 35 turbomachine.

La figure 6 représente la partie aval d'une tuyère 2 selon l'art antérieur, en coupe longitudinale. Le capot 1000 est sensiblement symétrique par rapport à l'axe longitudinal A et est donc coaxial avec le noyau 500.

Les termes "interne" et "externe" indiquent une partie située radialement à, ou orientée radialement vers, l'intérieur ou l'extérieur respectivement par rapport à l'axe longitudinal A du noyau 500. Sur la figure 6, qui représente l'art antérieur, le capot 1000 comprend d'une part un capot primaire 100 avec une paroi radialement interne 101 et une paroi radialement externe 102, qui se rejoignent à une extrémité aval 105 du capot primaire 100. La paroi radialement interne 101 et la partie amont 510 du noyau 500 délimitent ainsi une première veine annulaire 300 d'axe longitudinal A par laquelle les gaz sont expulsés lors du fonctionnement de la turbomachine.

Le capot 1000 comprend d'autre part un capot secondaire 200 avec une paroi radialement interne 201 et une paroi radialement externe 202, qui se rejoignent à une extrémité aval 205 du capot secondaire 200. La paroi radialement interne 201 du capot secondaire 200 et la paroi radialement externe 102 du capot primaire 100 délimitent ainsi une seconde veine annulaire 400 par laquelle les gaz sont expulsés lors du fonctionnement de la turbomachine. L'espace annulaire 1500 par où les gaz sont expulsés de la tuyère 2 est ainsi constitué de la réunion de cette première veine annulaire 300 et de cette seconde veine annulaire 400.

Le noyau 500 et le capot 1000 étant sensiblement symétriques par rapport à l'axe longitudinal A et coaxiaux, la première veine annulaire 300 et la seconde veine annulaire 400 sont chacune sensiblement symétriques par rapport à l'axe longitudinal A. La résultante de la poussée provenant de l'éjection des gaz par la première veine annulaire 300 et la seconde veine annulaire 400 est donc, par symétrie, un vecteur global V qui est dirigé selon l'axe longitudinal A. Ce vecteur global de poussée V est donc dirigé sensiblement dans l'axe de la turbomachine. Or, il est désirable que dans certains modes de fonctionnement, le 35 vecteur global de poussée V ne soit pas dirigé selon l'axe de la turbomachine. Le vecteur global de poussée V est alors désaxé.

Ce résultat est recherché par exemple parce qu'on obtient alors de meilleures performances de la turbomachine (installée sur l'avion), ou une meilleure acoustique de la turbomachine (installée sur l'avion), ou parce que les contraintes thermiques générées par la tuyère sur les matériaux de l'avion sur lequel cette tuyère est installée sont plus faibles. Pour obtenir ce désaxage du vecteur global de poussée V par rapport à la turbomachine, une solution existante consiste à désaxer l'ensemble de la tuyère. L'axe longitudinal A (axe du noyau de la tuyère) est alors distinct de l'axe de la turbomachine.

Cette solution n'est cependant pas satisfaisante car elle conduit soit à une modification substantielle (et donc génératrices de coûts supplémentaires) de la structure de la tuyère, soit à des pertes de performances aérodynamiques de la turbomachine. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients.

L'invention vise à proposer une tuyère de turbomachine qui permette d'obtenir un désaxage du vecteur global de poussée V par rapport à l'axe de la turbomachine. Ce but est atteint grâce au fait que la partie aval de la tuyère est sensiblement asymétrique par rapport à l'axe longitudinal A de telle sorte que la résultante de la poussée générée par les gaz expulsés de cet espace annulaire lors du fonctionnement de cette turbomachine fait un angle non-nul avec cet axe longitudinal A. Grâce à ces dispositions, le vecteur global de poussée V est désaxé par rapport à l'axe longitudinal A du noyau de la tuyère. Le vecteur global de poussée V est donc désaxé par rapport à l'axe de la turbomachine, que cet axe soit aligné ou pas avec l'axe longitudinal A. Ainsi, on obtient un vecteur global de poussée V qui n'est pas orienté selon l'axe de la turbomachine, sans qu'il soit nécessaire de désaxer l'ensemble de la tuyère.

La solution selon l'invention permet ainsi d'obtenir aisément toute orientation désirée de la poussée exercée par la turbomachine. L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 montre, de façon schématique, un turboréacteur en coupe longitudinale, la figure 2 montre la partie aval d'une tuyère selon l'invention, la figure 3 montre la partie aval d'une tuyère selon un autre mode de réalisation de l'invention, la figure 4 montre la partie aval d'une tuyère selon encore un autre mode de réalisation de l'invention, - la figure 5 montre la partie aval d'une tuyère selon encore un autre mode de réalisation de l'invention, - la figure 6 montre la partie aval d'une tuyère selon l'art antérieur. Sur les figures 2 à 5, on montre la partie aval d'une tuyère selon l'invention. Cette partie aval comprend un capot 1000 et un noyau 500 dont la partie amont 510 est entourée par le capot 1000 et dont la partie aval 530 prolonge cette partie amont 510 en aval du capot 1000. Le noyau 500 est sensiblement symétrique par rapport à un axe longitudinal A. Ainsi, l'intersection du noyau 500 avec un plan quelconque perpendiculaire à l'axe longitudinal A et passant par ce noyau 500 est une courbe C qui est symétrique par rapport à cet axe. Ceci signifie que le milieu de tout segment coupant l'axe longitudinal A et reliant deux points de cette courbe C est sur l'axe longitudinal A. Dans le cas représenté, la partie aval 530 et la partie amont 510 du noyau 500 sont chacune coniques de section circulaire. La courbe C telle que définie ci-dessus est un cercle. L'axe longitudinal A est donc l'axe de révolution du noyau 500.

Plus généralement, l'axe longitudinal A n'est pas l'axe de révolution du noyau 500, mais simplement son axe de symétrie (c'est-à-dire que le noyau 500 est symétrique par rapport à l'axe longitudinal A). Par exemple, le noyau 500 est ellipsoïdal, conique ou cylindrique. La courbe C telle que définie ci-dessus est ainsi une ellipse centrée sur l'axe longitudinal A.

Cet axe longitudinal A est également l'axe de la turbomachine 1. Cependant, la solution de l'invention est également applicable à une tuyère 2 dont l'axe longitudinal A du noyau fait un angle non-nul avec l'axe de la turbomachine 1. Lors du fonctionnement de la turbomachine 1, les gaz sont expulsés vers l'aval hors de ladite tuyère 2 par un espace annulaire 1500 situé radialement entre ce capot 1000 et ce noyau 500.

Selon l'invention, la partie aval de la tuyère 2 est sensiblement asymétrique par rapport à l'axe longitudinal A de telle sorte que la résultante de la poussée générée par les gaz expulsés de cet espace annulaire 1500 lors du fonctionnement de cette turbomachine 1 fait un angle non-nul avec l'axe longitudinal A. Cette asymétrie peut être réalisée de diverses façons. Les figures 2 et 3 illustrent des modes de réalisation dans lesquels cette asymétrie est réalisée par une variation de la section de l'espace annulaire 1500 le long de sa circonférence.

La figure 4 illustre un mode de réalisation dans lequel cette asymétrie est réalisée par une variation de l'angle d'une partie du capot 1000 le long de sa circonférence. La figure 5 illustre un mode de réalisation dans lequel cette asymétrie est réalisée par une variation de la longueur d'une partie du capot 1000 le long de sa circonférence. Cependant l'invention ne se réduit pas à ces modes de réalisation de l'asymétrie, et d'autres modes peuvent être envisagés, du moment que la partie aval de la tuyère 2 est sensiblement asymétrique par rapport à l'axe longitudinal A et que la résultante de la poussée générée par les gaz expulsés lors du fonctionnement de cette turbomachine 1 fait un angle non-nul avec l'axe longitudinal A. Sur la figure 2, le capot 1000 comprend d'une part un capot primaire 100 avec une paroi radialement interne 101 et une paroi radialement externe 102, qui se rejoignent à une extrémité aval 105 du capot primaire 100. La paroi radialement interne 101 et la partie amont 510 du noyau 500 délimitent ainsi une première veine annulaire 300 d'axe longitudinal A. Le capot primaire 100 converge de l'amont vers l'aval en direction de l'axe longitudinal A. Le capot 1000 comprend d'autre part un capot secondaire 200 avec une paroi radialement interne 201 et une paroi radialement externe 202, qui se rejoignent à une extrémité aval 205 du capot secondaire 200. Cette paroi radialement interne 201 entoure la partie amont de la paroi radialement externe 102 du capot primaire 100. La paroi radialement interne 201 du capot secondaire 200 et la paroi radialement externe 102 du capot primaire 100 délimitent ainsi une seconde veine annulaire 400 d'axe longitudinal A. La partie aval de la paroi radialement externe 102 du capot primaire 100 prolonge la partie amont de la paroi radialement externe 102 en aval du capot secondaire 200. Le capot secondaire 200 converge de l'amont vers l'aval en direction de l'axe longitudinal A.

L'espace annulaire 1500 par où les gaz sont expulsés de la tuyère 2 est ainsi constitué de la réunion de cette première veine annulaire 300 et de cette seconde veine annulaire 400. La première veine annulaire 300 est de section constante le long de sa circonférence autour de l'axe longitudinal A.

La seconde veine annulaire 400 présente le long de sa circonférence une section variable entre un maximum (situé en bas sur la figure 2) et un minimum (situé en haut sur la figure 2). Il en résulte que la poussée exercée par la région de cette seconde veine annulaire 400 autour de ce minimum est plus faible que la poussée exercée par la région de cette seconde veine annulaire 400 autour de ce maximum. Les calculs réalisés par les inventeurs montrent que lorsque la section maximale est égale à deux fois la section minimale et que la section évolue le long de la circonférence de façon linéaire entre ces deux extrema, alors l'angle que fait le vecteur global de poussée V avec l'axe longitudinal A est de l'ordre de 3°. Sur la figure 3 est illustrée une tuyère 2 dont la première veine annulaire 300 et la seconde veine annulaire 400 présentent chacune le long de leur circonférence respective autour de l'axe longitudinal A une 25 section variable entre un maximum et un minimum, les deux maxima étant situés dans le même secteur angulaire par rapport à l'axe A, et les deux minima étant situés dans le même secteur angulaire par rapport à l'axe A. Sur la figure 3, les deux maxima sont situés en bas, et les deux minima sont situés en haut. 30 Dans ce cas, avantageusement, l'angle que fait le vecteur global de poussée V avec l'axe longitudinal A est encore plus important que dans la configuration illustrée sur la figure 2. Alternativement, la seconde veine annulaire 400 est de section constante le long de sa circonférence, et seule la première veine annulaire 35 300 présente une section variable entre un maximum et un minimum.

Alternativement, le capot 1000 ne comprend pas de capot secondaire et comprend uniquement un capot primaire 100 avec une paroi radialement interne 101 et une paroi radialement externe 102. L'espace annulaire 1500 est alors constitué de la première veine annulaire 300 délimitée par la paroi radialement interne 101 et la partie amont 510 du noyau 500. Selon l'invention, la première veine annulaire 300 présente alors le long de sa circonférence une section variable entre un maximum et un minimum, comme expliqué ci-dessus.

Dans chacun des modes de réalisation ci-dessus, la section de l'espace annulaire 1500 varie circonférentiellement entre un maximum et un minimum, la partie de l'espace annulaire 1500 où se situe ce maximum et la partie de l'espace annulaire 1500 où se situe ce minimum étant situées le long d'une droite D perpendiculaire à l'axe longitudinal A et passant par cet axe. Cette droite D passe donc par ces parties. Ainsi ces parties sont diamétralement opposées par rapport à l'axe longitudinal A. Par exemple, cette droite D est sensiblement verticale. Dans ce cas le vecteur global de poussée V est dans un plan vertical, orienté vers le haut ou vers le bas. Par exemple, si la section de l'espace annulaire 1500 est maximum en bas et minimum en haut, alors le vecteur global de poussée V est orienté vers le bas comme sur les figures 2 et 3 (flèche référencées V). Alternativement, cette droite D est sensiblement horizontale.

Dans ce cas le vecteur global de poussée V est dans un plan horizontal, orienté vers la droite ou vers la gauche. Sur la figure 4, le capot 1000 comprend d'une part un capot primaire 100 avec une paroi radialement interne 101 et une paroi radialement externe 102, la paroi radialement interne 101 et la partie amont 510 du noyau 500 délimitant ainsi une première veine annulaire 300 d'axe longitudinal A, et d'autre part un capot secondaire 200 avec une paroi radialement interne 201 et une paroi radialement externe 202, la paroi radialement interne 201 du capot secondaire 200 et la paroi radialement externe 102 du capot primaire 100 délimitant ainsi une seconde veine annulaire 400. L'asymétrie de la partie aval de la tuyère est réalisée par une variation de l'angle de la paroi radialement externe 102 du capot primaire 100 avec l'axe longitudinal A le long de sa circonférence. Ainsi, l'angle de la paroi radialement externe 102 du capot primaire 100 avec l'axe longitudinal A dans un plan longitudinal contenant cet axe longitudinal A varie circonférentiellement entre un maximum 13max et un minimum 13m,n, la partie de la paroi radialement externe 102 où se situe ce maximum et la partie de la paroi radialement externe 102 où se situe ce minimum étant diamétralement opposées par rapport à l'axe longitudinal A.

Sur la figure 4, l'angle de la paroi radialement externe 102 du capot primaire 100 est maximal en bas et minimal en haut de la circonférence de la paroi radialement externe 102. La partie de la paroi radialement externe 102 où se situe ce maximum et la partie de la paroi radialement externe 102 où se situe ce minimum sont situées le long d'une droite D perpendiculaire à l'axe longitudinal A et passant par cet axe. Cette droite D passe donc par ces parties. Dans ce cas le vecteur global de poussée V est dans un plan vertical, orienté vers le haut ou vers le bas.

Sur la figure 5, le capot 1000 comprend d'une part un capot primaire 100 avec une paroi radialement interne 101 et une paroi radialement externe 102, la paroi radialement interne 101 et la partie amont 510 du noyau 500 délimitant ainsi une première veine annulaire 300 d'axe longitudinal A, et d'autre part un capot secondaire 200 avec une paroi radialement interne 201 et une paroi radialement externe 202, la paroi radialement interne 201 du capot secondaire 200 et la paroi radialement externe 102 du capot primaire 100 délimitant ainsi une seconde veine annulaire 400. L'asymétrie de la partie aval de la tuyère est réalisée par une variation de la longueur de la paroi radialement externe 102 du capot primaire 100 le long de sa circonférence. Ainsi, la longueur de la paroi radialement externe 102 du capot primaire 100 dans un plan longitudinal contenant cet axe longitudinal A varie circonférentiellement entre un maximum Lmax et un minimum Lmm, la partie de la paroi radialement externe 102 où se situe ce maximum et la partie de la paroi radialement externe 102 où se situe ce minimum étant diamétralement opposées par rapport à l'axe longitudinal A.

Sur la figure 5, la longueur de la paroi radialement externe 102 du capot primaire 100 (c'est-à-dire la distance mesurée longitudinalement entre l'extrémité aval 105 du capot primaire 100 et la sortie de la seconde veine annulaire 400) est maximale en bas et minimale en haut de la circonférence de la paroi radialement externe 102. La partie de la paroi radialement externe 102 où se situe ce maximum et la partie de la paroi radialement externe 102 où se situe ce minimum sont situées le long d'une droite D perpendiculaire à l'axe longitudinal A et passant par cet axe. Cette droite D passe donc par ces parties. Dans ce cas le vecteur global de poussée V est dans un plan vertical, orienté vers le haut ou vers le bas. Selon l'invention, les variations circonférentielles de la section de la première veine annulaire 300 et/ou de la section de la seconde veine annulaire 400, les variations circonférentielles de la longueur de la paroi radialement externe 102 du capot primaire 100, et les variations circonférentielles de l'angle de la paroi radialement externe 102 avec l'axe longitudinal A peuvent être combinées entre elles afin d'obtenir une partie aval de la tuyère 2 sensiblement asymétrique par rapport à l'axe longitudinal A.

Claims

REVENDICATIONS1. Tuyère (2) de turbomachine (1) dans laquelle l'air circule en fonctionnement normal de l'amont vers aval, dont la partie aval comprend un capot (1000) et un noyau (500) dont la partie amont (510) est entourée par ledit capot (1000) et dont la partie aval (530) prolonge cette partie amont (510) en aval dudit capot (1000), ledit noyau (500) étant sensiblement symétrique par rapport à un axe longitudinal A, les gaz étant expulsés vers l'aval hors de ladite tuyère (2) lors du fonctionnement de ladite turbomachine (1) par un espace annulaire (1500) situé radialement entre ledit capot (1000) et ledit noyau (500), ladite tuyère (2) étant caractérisée en ce que la partie aval de ladite tuyère (2) est sensiblement asymétrique par rapport audit axe longitudinal A de telle sorte que la résultante de la poussée générée par lesdits gaz expulsés de cet espace annulaire (1500) lors du fonctionnement de cette turbomachine (1) fait un angle non-nul avec ledit axe longitudinal A.
2. Tuyère (2) de turbomachine (1) selon la revendication 1 caractérisée en ce que la section dudit espace annulaire (1500) varie circonférentiellement entre un maximum et un minimum, la partie dudit espace annulaire (1500) où se situe ce maximum et la partie dudit espace annulaire (1500) où se situe ce minimum étant diamétralement opposées par rapport audit axe longitudinal A.
3. Tuyère (2) de turbomachine (1) selon la revendication 2 caractérisée en ce que la droite perpendiculaire audit axe longitudinal A passant par la partie dudit espace annulaire (1500) où se situe le maximum de la section dudit espace annulaire (1500) et la partie dudit espace annulaire (1500) où se situe le minimum de cette section est une droite sensiblement verticale.
4. Tuyère (2) de turbomachine (1) selon la revendication 2 caractérisée en ce que la droite perpendiculaire audit axe longitudinal A passant par la partie dudit espace annulaire (1500) où se situe le maximum de la section dudit espace annulaire (1500) et la partie dudit espace annulaire (1500) où se situe le minimum de cette section est une droite sensiblement horizontale.
5. Tuyère (2) de turbomachine (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisée en ce que ledit capot (1000) comprendun capot primaire (100) avec une paroi radialement interne (101) et une paroi radialement externe (102), ledit espace annulaire (1500) étant constitué d'une première veine annulaire (300) délimitée par ladite paroi radialement interne (101) et la partie amont (510) dudit noyau (500).
6. Tuyère (2) de turbomachine (1) selon la revendication 2 et la revendication 5 caractérisée en ce que la section de ladite première veine annulaire (300) varie circonférentiellement entre un maximum et un minimum.
7. Tuyère (2) de turbomachine (1) selon la revendication 5 ou 6 caractérisée en ce que ledit capot (1000) comprend en outre un capot secondaire (200) avec une paroi radialement interne (201) et une paroi radialement externe (202), ledit espace annulaire (1500) étant constitué de ladite première veine annulaire (300) et d'une seconde veine annulaire (400) délimitée par ladite paroi radialement interne (201) et ladite paroi radialement externe (102) du capot primaire (100).
8. Tuyère (2) de turbomachine (1) selon la revendication 2 et la revendication 7 caractérisée en ce que la section de ladite seconde veine annulaire (400) varie circonférentiellement entre un maximum et un minimum.
9. Tuyère (2) de turbomachine (1) selon la revendication 7 ou 8 caractérisée en ce que la longueur de ladite paroi radialement externe (102) du capot primaire (100) dans un plan longitudinal contenant ledit axe longitudinal A varie circonférentiellement entre un maximum et un minimum, la partie de ladite paroi radialement externe (102) où se situe ce maximum et la partie de ladite paroi radialement externe (102) où se situe ce minimum étant diamétralement opposées par rapport audit axe longitudinal A.
10. Tuyère (2) de turbomachine (1) selon l'une quelconque des revendications 7 à 9 caractérisée en ce que l'angle de ladite paroi 30 radialement externe (102) du capot primaire (100) avec ledit axe longitudinal A dans un plan longitudinal contenant ledit axe longitudinal A varie circonférentiellement entre un maximum et un minimum, la partie de ladite paroi radialement externe (102) où se situe ce maximum et la partie de ladite paroi radialement externe (102) où se situe ce minimum étant 35 diamétralement opposées par rapport audit axe longitudinal A.